CN113866879B - 基于布拉格光栅的反射器及其制造方法、光电装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及基于布拉格光栅的反射器及其制造方法、光电装置。反射器包括：波导，包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且该多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得该多个第一部分和该多个第二部分交替地光学串联耦接；包围波导的包覆层；和以第一方向为周期方向的线阵光栅，设置在包覆层中并在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上与波导分离开第一间距，其中当从第三方向看时线阵光栅与波导重叠，其中波导的材料的折射率大于包覆层的材料的折射率，并且线阵光栅的材料的折射率大于包覆层的材料的折射率。
Description
技术领域
本公开总体上涉及光电器件领域，并且更具体而言，本公开涉及基于布拉格光栅的反射器及其制造方法、光电装置。
背景技术
片上集成反射器是光子集成领域的重要器件之一。最常见的片上集成反射器可以包括波导布拉格光栅。波导布拉格光栅可以通过在波导中刻蚀周期性结构以实现折射率的周期性调制从而导致位于布拉格波长的光在光栅中发生强烈耦合并被反射。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种基于布拉格光栅的反射器，该反射器包括：波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接；包覆层，所述包覆层包围所述波导；以及以所述第一方向为周期方向的线阵光栅，所述线阵光栅设置在所述包覆层中并且在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述波导分离开第一间距，其中当从所述第三方向看时所述线阵光栅与所述波导重叠，其中，所述波导的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率，并且所述线阵光栅的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率。
在一些实施例中，所述线阵光栅的材料的折射率小于或等于所述波导的材料的折射率。
在一些实施例中，所述波导的所述多个第一部分是彼此平行的直波导，并且所述波导的所述多个第二部分是弯曲波导。
在一些实施例中，当从所述第三方向看时，所述线阵光栅与所述波导的所述多个第一部分重叠而不与所述波导的所述多个第二部分重叠。
在一些实施例中，当从所述第三方向看时，所述线阵光栅的每条栅线与所述波导的所有第一部分都相交。
在一些实施例中，所述反射器包括在所述第二方向上间隔布置的多个所述线阵光栅，并且其中，当从所述第三方向看时，每个所述线阵光栅在所述第三方向上与所述波导的所述多个第一部分中的相应一个或多个第一部分重叠。
在一些实施例中，所述反射器包括在所述第一方向上间隔布置的多个所述线阵光栅，并且其中，当从所述第三方向看时，每个所述线阵光栅的每条栅线与所述波导的所有第一部分都相交。
在一些实施例中，每个所述线阵光栅被配置用于提供不同的中心反射波长。
在一些实施例中，每个所述线阵光栅被配置用于提供相同的中心反射波长。
在一些实施例中，每个所述线阵光栅的材料的折射率、光栅周期以及与所述波导的第一间距中的至少一者不同。
在一些实施例中，所述反射器还包括设置在所述包覆层中的多个点阵光栅，每个点阵光栅在所述第三方向上与所述波导分离开第二间距，
其中，当从所述第三方向看时，每个点阵光栅与所述波导的所述多个第二部分中的相应一个第二部分重叠，并且其中，每个点阵光栅以所述相应一个第二部分的延伸方向为周期方向。
在一些实施例中，所述点阵光栅的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率，并且小于或等于所述波导的材料的折射率。
在一些实施例中，所述点阵光栅的材料与所述线阵光栅的材料相同，所述第二间距与所述第一间距相同，并且每个点阵光栅的光栅周期与所述线阵光栅的光栅周期相同。
在一些实施例中，所述波导是单模波导。
在一些实施例中，所述波导的材料是硅，并且所述线阵光栅的材料是氮化硅。
在一些实施例中，所述反射器还包括加热器，所述加热器被配置为通过改变所述线阵光栅和/或所述波导的温度来调谐由所述线阵光栅提供的中心反射波长。
在一些实施例中，所述波导的第一部分的宽度大于所述波导的第二部分的宽度，并且所述波导还包括被配置为耦接在相邻的第一部分和第二部分之间以提供宽度过渡的第三部分。
在一些实施例中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
根据本公开的第二方面，提供了一种光电装置，该光电装置包括根据本公开的第一方面的任一实施例所述的反射器。
在一些实施例中，所述光电装置为激光器、传感器和滤波器中的一者。
根据本公开的第三方面，提供了一种用于制造基于布拉格光栅的反射器的方法，该方法包括：在衬底上形成第一包覆层；在所述第一包覆层中形成波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接；在所述第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖所述波导；在所述第二包覆层中形成以所述第一方向为周期方向的线阵光栅，所述线阵光栅在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述波导分离开第一间距，其中当从所述第三方向看时所述线阵光栅与所述波导重叠；以及在所述第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖所述线阵光栅，其中，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述波导的材料的折射率，并且所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述线阵光栅的材料的折射率。
根据本公开的第四方面，提供了一种用于制造基于布拉格光栅的反射器的方法，该方法包括：在衬底上形成第一包覆层；在所述第一包覆层中形成以第一方向为周期方向的线阵光栅；在所述第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖所述线阵光栅；在所述第二包覆层中形成波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿所述第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接，其中所述波导在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述线阵光栅分离开第一间距，并且其中当从所述第三方向看时所述波导与所述线阵光栅重叠；以及在所述第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖所述波导，其中，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述波导的材料的折射率，并且所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述线阵光栅的材料的折射率。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得更为清楚。
附图说明
从结合附图示出的本公开的实施例的以下描述中，本公开的前述和其它特征和优点将变得清楚。附图结合到本文中并形成说明书的一部分，进一步用于解释本公开的原理并使本领域技术人员能够制造和使用本公开。其中：
图1A和图1B是示意性示出根据本公开的一些实施例的反射器的俯视图及正视图；
图2A至图2D是示出根据本公开的一些实施例的反射器的波导的示例布置的示意图；
图3A和图3B是示意性示出根据本公开的一些实施例的反射器的俯视图及侧视图；
图4A和图4B是示意性示出根据本公开的一些实施例的反射器的俯视图及正视图；
图5A和图5B是示意性示出根据本公开的一些实施例的反射器的俯视图及正视图；
图6A和图6B是示意性示出根据本公开的一些实施例的反射器的正视图及仰视图；
图7是示出根据本公开的一些实施例的包含图1A所示的反射器的激光器的结构的示意图；
图8是示出根据本公开的一些实施例的用于制造反射器的方法的流程图；
图9是示出根据本公开的一些实施例的用于制造反射器的方法的流程图；
图10是用于制造根据本公开的一些实施例的反射器的示例性工艺流程图；
图11A是示出线阵光栅的耦合系数以及反射带宽随波导与线阵光栅的间距变化的曲线图；
图11B是示出在波导与线阵光栅的不同间距下的反射光谱。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在一些情况中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，本公开并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
下面将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。也就是说，本文中的结构及方法是以示例性的方式示出，来说明本公开中的结构和方法的不同实施例。然而，本领域技术人员将会理解，它们仅仅说明可以用来实施的本公开的示例性方式，而不是穷尽的方式。此外，附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大以示出具体组件的细节。
另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
基于波导布拉格光栅的片上集成反射器可以被广泛应用于激光器、传感器以及滤波器等应用场景中。例如，在激光器的应用场景中，期望这样的反射器具有窄反射带宽，使得当其作为激光器的外腔反馈器件时能够压窄激光器的出射光的带宽从而实现窄带宽激光器或可调谐半导体激光器。根据耦合模理论，为了获得窄带宽的反射峰，波导布拉格光栅需要较小的耦合强度(也即弱折射率调制)以及较长的腔长(也即较多的光栅周期数)。然而，常规的片上集成反射器的波导布拉格光栅是通过在波导的顶部或者侧壁进行刻蚀来实现的，这导致光场被强烈限制在波导内，使得波导布拉格光栅的耦合强度较大，进而使得反射器的带宽较宽。
为此，本公开提供了一种基于布拉格光栅的反射器及其制造方法以及包含这样的反射器的光电装置。根据本公开的反射器能够在提供高反射率、窄带宽的同时保持小尺寸。
下面结合图1A和图1B详细描述根据本公开的一些实施例的基于布拉格光栅的反射器100。应注意，实际的反射器可能还存在其它部件，而为了避免模糊本公开的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。
如图1A和图1B所示，反射器100包括波导101、包围波导101的包覆层102以及设置在包覆层102中的线阵光栅103。波导101的材料的折射率大于包覆层102的材料的折射率，并且线阵光栅103的材料的折射率大于包覆层102的材料的折射率。在一些实施例中，线阵光栅103的材料的折射率小于或等于波导101的材料的折射率。波导101和线阵光栅103的材料例如可以是但不限于硅、锗、氮化硅、氮化锗、铌酸锂或其组合等，包覆层102的材料例如可以是但不限于二氧化硅、氮化硅、二氧化钛或其组合等，只要波导101、包覆层102和线阵光栅103三者的材料选择满足前述折射率相对关系即可。在一些实施例中，波导101的材料是硅，并且线阵光栅103的材料是氮化硅。
波导101可以包括多个第一部分101A1-101A7和多个第二部分101B1-101B6。每个第一部分沿第一方向D1延伸并且多个第一部分101A1-101A7在不同于第一方向D1的第二方向D2上间隔布置。每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得多个第一部分101A1-101A7和多个第二部分101B1-101B6交替地光学串联耦接，如图1A所示，从而在两端分别为反射器100提供光学端口100a和100b。入射光信号可以经由光学端口100a和100b中的一个光学端口输入反射器100或者说波导101，然后反射光信号可以从所述一个光学端口输出，并且透射光信号可以从光学端口100a和100b中的另一个光学端口输出。
线阵光栅103以第一方向D1为周期方向，并且如图1B所示在与第一方向D1和第二方向D2垂直的第三方向D3上与波导101分离开第一间距δ。当从第三方向D3看(如图1A的俯视图所示)时线阵光栅103与波导101重叠。在一些实施例中，线阵光栅103可以在第三方向D3上位于波导101的上方或者下方。在一些实施例中，可以在第三方向D3上在波导101的上方和下方中的至少一者处在包覆层102中设置相应的线阵光栅。线阵光栅103包括彼此分离布置的多条栅线。每条栅线在由第一方向D1和第三方向D3限定的截面中的形状可以是但不限于圆形、矩形、梯形等。在本文中，光栅的周期方向是指光栅的单元结构沿其周期性布置的方向。反射器100或者是线阵光栅103的中心反射波长可以通过线阵光栅103的光栅周期Λ和在由第二方向D2和第三方向D3限定的截面内的有效折射率来调节。当光栅周期Λ和有效折射率的乘积越大时，中心反射波长可以越大。可以通过控制线阵光栅103在第三方向D3上与波导101的第一间距δ以及线阵光栅103的栅线厚度t来实现线阵光栅103的期望的耦合系数，进而实现反射器100的期望的反射带宽。一般而言，线阵光栅103在第三方向D3上与波导101的第一间距δ越小则反射带宽越小，另外，线阵光栅103的栅线厚度t越小则反射带宽越小。
由于线阵光栅103设置在包覆层102中并且在第三方向D3上与波导101分离开第一间距δ，因而可以通过在波导101周围的包覆层102内的折射率的周期性调制来实现光的反射，这相比于通过在波导中刻蚀周期性结构以实现波导处的折射率的周期性调制而言是弱折射率调制，耦合强度较小，从而可以实现较窄的反射带宽。另一方面，通过使线阵光栅103与具有蛇形弯曲结构的波导101在第三方向D3上相交重叠，可以在较小的面积内实现非常多的光栅周期数，从而使得反射器可以在保持小尺寸的同时提供大腔长。
图11A和图11B提供了根据本公开的实施例的反射器100的示例性仿真结果。以O波段反射器为例，硅波导的宽度为380nm并且厚度为220nm，氮化硅线阵光栅的厚度t为300nm并且光栅周期Λ为260nm。如图11A所示，当调节硅波导和氮化硅线阵光栅之间的第一间距δ从0增加至320nm时，光栅耦合强度κ从500cm-1减小至0.75cm-1，反射带宽也从1.5THz减小至2GHz。图11B示出了在不同δ的情况下的反射光谱，其中当δ＝200nm时反射带宽为22GHz，当δ＝260nm时反射带宽为6GHz，并且当δ＝300nm时反射带宽为2.6GHz。如果考虑到单模硅波导的传输损耗(1～2dB/cm)，将硅波导和氮化硅线阵光栅之间的第一间距δ选择为260nm，那么达到98％以上的反射率所需的腔长为10mm。如果使波导的第二部分的弯曲半径为5μm，那么如此实现的反射器的尺寸仅为0.52mm×0.2mm，其插入损耗仅为1～2dB。如若采用单模脊型波导，其插入损耗可进一步降低。因此，根据本公开的反射器可以以小至0.52mm×0.2mm的尺寸实现窄至6.4GHz的反射带宽和高达98％以上的反射率。
虽然在图1A中反射器100的波导101被描绘为具有七个第一部分和六个第二部分，但是这仅仅是示例性的而非限制性的。可以理解的是，波导101的第一部分和第二部分的数量可以根据实际需要进行具体设置。而且，波导的长度、宽度和厚度也可以根据实际需要进行具体设置。例如，波导的厚度可以为100-500nm，波导的宽度可以为对应厚度下满足单模传输的宽度，波导的长度可以取决于期望的反射率。另外，波导101的类型不受特别限制，而是可以采用任何合适的类型。作为非限制性示例，波导可以是矩形波导、梯形波导、脊型波导等。在一些实施例中，波导101是单模波导。在一些实施例中，波导101是单模脊型波导。
在图1A的实施例中，波导101的多个第一部分101A1-101A7是彼此平行的直波导，波导的多个第二部分101B1-101B6是弯曲波导，第一方向D1垂直于第二方向D2。这仅仅是示例性的而非限制性的。波导101也可以具有其它合适的布置。作为非限制性示例，图2A至图2D描述了波导101的其它几种布置。如本文所使用的，“波导的第一部分沿第一方向延伸”可以是指波导的中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角不超过15°，或者不超过10°，或者不超过5°，或者不超过1°。例如，参考图2A至图2C，点线指示波导的中心线，以及短划线指示平行于第一方向D1的方向。在图2A中，波导的第一部分是直波导，并且每个第一部分104Ai(i＝1～7)的中心线与第一方向D1的夹角为θi，其中θi不超过15°，或者不超过10°，或者不超过5°，或者不超过1°。每个第一部分的θi可以具有相同的值，也可以具有不同的值。另外，在图2B中，波导的第一部分是弯曲波导，并且每个第一部分104Ai(i＝1～7)的中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角为θi。对于作为弯曲波导的第一部分，它们的中心线上的每一点处的切线方向与第一方向的夹角θi虽然不一定是恒定不变的，但是始终都满足前述范围，使得波导的第一部分沿第一方向D1延伸。另外，波导的第一部分和第二部分交替地在第二方向D2上间隔布置。第一方向D1与第二方向D2之间的夹角可以被表示为α，在一些实施例中，第一方向D1可以与第二方向D2垂直，即α等于90°，例如如图1A所示。在另外一些实施例中，第一方向D1可以不与第二方向D2垂直，例如如图2C所示。可以根据具体情况设置第一方向D1与第二方向D2之间的夹角α。
在本文中，波导的相邻的第一部分之间的间隔d被定义为相邻的第一部分的中心线之间的在第二方向D2上的最小距离，例如如图1和图2A至图2C所示。在一些实施例中，波导101的多个第一部分101A1-101A7在第二方向D2上以均等的间隔d布置。但是应理解，所有的相邻第一部分之间的间隔不需要是相同的，而是可以根据实际需要具体设置。在一些实施例中，波导101的多个第一部分101A1-101A7在第二方向D2上的间隔被配置为使得波导101的相邻第一部分之间的耦合强度低于预定阈值。该预定阈值可以根据对反射器的具体性能要求进行设置。一般地，相邻第一部分之间的耦合强度越低，其间的光串扰越少。在一些实施例中，例如如图2D所示，波导101的第一部分的宽度大于波导101的第二部分的宽度，并且波导101还包括被配置为耦接在相邻的第一部分和第二部分之间以提供宽度过渡的第三部分。例如，第三部分101C3实现第一部分101A2与第二部分101B2之间的宽度过渡，第三部分101C4实现第二部分101B2与第一部分101A3之间的宽度过渡。这样，可以实现宽度较小的第二部分，便于使第二部分具有较小的弯曲半径，从而使得反射器100的结构更加紧凑。
在一些实施例中，当从第三方向D3看时，线阵光栅103与波导101的多个第一部分101A1-101A7重叠而不与波导101的多个第二部分101B1-101B6重叠。在一些实施例中，当从第三方向D3看时，线阵光栅103的每条栅线与波导101的所有第一部分都相交，例如如图1A所示。由于第二部分的长度(微米级)相对于反射器100的腔长(毫米级)而言非常小，因此波导的第二部分可以看作是线阵光栅103与波导101的各个第一部分重叠的各个部分之间的串联连接。
在一些实施例中，反射器可以包括在第二方向D2上间隔布置的多个这样的线阵光栅，并且其中，当从第三方向D3看时，每个线阵光栅在第三方向D3上与波导101的多个第一部分101A1-101A7中的相应一个或多个第一部分重叠。例如，图3A和图3B示出了根据本公开的另一些实施例的反射器200。反射器200相比于反射器100，不同之处在于反射器200包括在第二方向D2上间隔布置的多个线阵光栅1031和1032。线阵光栅1031在第三方向D3上与波导101的第一部分101A1、101A2、101A3重叠，并且线阵光栅1032在第三方向D3上与波导101的第一部分101A4、101A5、101A6、101A7重叠。
在一些实施例中，反射器可以包括在第一方向D1上间隔布置的多个这样的线阵光栅，并且其中，当从第三方向D3看时，每个线阵光栅的每条栅线与波导101的所有第一部分都相交。例如，图4A和图4B示出了根据本公开的另一些实施例的反射器300。反射器300相比于反射器100，不同之处在于反射器300包括在第一方向D1上间隔布置的多个线阵光栅1031和1032。线阵光栅1031在第三方向D3上与波导101的所有第一部分都重叠，并且线阵光栅1032在第三方向D3上与波导101的所有第一部分都重叠。
前述两种实施例可以相组合。也就是说，在一些实施例中，反射器可以包括在第一方向D1和/或第二方向D2上彼此间隔布置的多个这样的线阵光栅。例如，反射器可以包括多个线阵光栅的二维阵列。
当反射器包括多个线阵光栅时，每个线阵光栅可以被配置为提供不同的中心反射波长或提供相同的中心反射波长。每个线阵光栅还可以被配置为提供不同的折射率调制或提供相同的折射率调制。另外，每个线阵光栅的材料的折射率、光栅周期以及与波导101的第一间距中的至少一者可以不同。例如，线阵光栅1031和1032与波导101的第一间距δ1和δ2、线阵光栅1031和1032的材料的折射率、线阵光栅1031和1032的光栅周期Λ1和Λ2、线阵光栅1031和1032的厚度均可以根据实际需要具体设置，而不需要都是相同的或都是不同的。在一些实施例中，当反射器包括多个线阵光栅时，每个线阵光栅可以被配置为提供不同的中心反射波长，使得由各个线阵光栅提供的反射波长范围共同形成反射器的较宽的反射波段。
在一些实施例中，反射器还可以包括设置在包覆层中的多个点阵光栅，每个点阵光栅在第三方向上与波导分离开第二间距，其中当从第三方向看时，每个点阵光栅与波导的多个第二部分中的相应一个第二部分重叠，并且其中，每个点阵光栅以相应一个第二部分的延伸方向为周期方向。点阵光栅包括彼此分离布置的多个栅点。栅点的形状可以是但不限于圆柱、棱柱、圆台、棱台、平行六面体等。例如，图5A和图5B示出了根据本公开的另一些实施例的反射器400。反射器400相比于反射器100，不同之处在于反射器400包括设置在包覆层102中的多个点阵光栅1041-1046，每个点阵光栅在第三方向上与波导分离开第二间距δ’，其中当从第三方向D3看时，点阵光栅1041-1046分别与波导的第二部分101B1-101B6重叠，并且其中，每个点阵光栅1041-1046分别以相应的第二部分101B1-101B6的延伸方向为周期方向。通过设置这些点阵光栅，可以进一步改善波导101周围的光栅周期性。在一些实施例中，点阵光栅1041-1046的材料的折射率大于包覆层102的材料的折射率。在一些实施例中，点阵光栅1041-1046的材料的折射率小于或等于波导101的材料的折射率。在一些实施例中，点阵光栅1041-1046的材料与线阵光栅103的材料相同，第二间距δ’与第一间距δ相同，并且每个点阵光栅1041-1046的光栅周期Λ’与线阵光栅103的光栅周期Λ相同。当然，可以根据实际需要分别具体设置各个点阵光栅的各项参数，而不一定需要彼此相同或与线阵光栅相同。在一些实施例中，点阵光栅1041-1046中的一个或多个可以设置在相应的波导的第二部分的上方或下方。在一些实施例中，波导的第二部分的上方和下方可以均设置有点阵光栅。在一些实施例中，点阵光栅可以替代地设置在相应的波导的第二部分的内侧或外侧。在一些实施例中，波导的一个第二部分可以对应设有一个或多个点阵光栅。在一些实施例中，可以对波导的一些或所有第二部分设置点阵光栅。
在一些实施例中，反射器还可以包括加热器，加热器被配置为通过改变线阵光栅和/或波导的温度来调谐由线阵光栅提供的中心反射波长。加热器可以利用材料的热光效应来改变线阵光栅和/或波导的折射率，进而改变反射器的反射波长。例如，图6A示出了与反射器100相比还包括加热器105的反射器500。作为非限制性示例，加热器105在图6A中被示出为位于波导101下方。可以理解，加热器105可以在第三方向D3上相对于波导101和线阵光栅103位于任何合适的位置。在一些实施例中，加热器105被设置为相比于线阵光栅103更靠近波导101。在一些实施例中，加热器105可以位于波导101上方或下方约1微米处。加热器105可以对波导101和/或线阵光栅103进行加热，通过改变波导101和/或线阵光栅103的温度来调谐由线阵光栅103提供的中心反射波长，从而得到波长可调谐的反射器。加热器105可以是钨加热器、氮化钛加热器或其它金属条等，也可以由例如具有PN结的掺杂波导形成。在一些实施例中，反射器可以包括多个加热器，每个加热器可以对线阵光栅和/或波导的不同部分进行加热以实现不同的温区，从而使得线阵光栅的不同部分提供不同的中心反射波长，进而拓宽整个线阵光栅的反射波长范围。例如如图6B所示，反射器500’包括多个加热器1051、1052、1053。加热器1051被配置为控制线阵光栅103与波导101的第一部分101A1、101A2的重叠区域的温度，加热器1052被配置为控制线阵光栅103与波导101的第一部分101A3、101A4、101A5的重叠区域的温度，并且加热器1053被配置为控制线阵光栅103与波导101的第一部分101A6、101A7的重叠区域的温度。加热器1051-1053沿第二方向D2布置，但这仅仅是示例性的。替代地，多个加热器可以沿第一方向D2布置，或者可以在平行于第一方向D1和第二方向D2的平面内具有任何合适的二维布置，从而为线阵光栅103提供期望的温度分布进而提供期望的反射波长范围。
根据本公开的实施例的反射器可以以小尺寸提供高反射率和窄反射带宽，并且可以广泛应用于各种光电装置中。因而，本公开还相应地提供了包括根据本公开的任一实施例所述的反射器的光电装置。这样的光电装置例如可以是激光器、传感器或滤波器。例如，图7示出了包括图1A所示的反射器100作为外腔反馈器件的激光器600。应注意，实际的激光器可能还存在其它部件，而为了避免模糊本公开的要点，附图没有示出且本文也不去讨论其它部件。激光器600包括环路镜601、增益区602、移相器603和反射器100，并且激光从端口604输出。增益区602用于实现光的放大。由环路镜601和反射器100形成外腔结构，环路镜601可以提供部分反射(反射率一般为50％左右)，而反射器100可以提供完全反射(反射率一般为100％左右)。移相器603用于调节腔内光的相位。激光器600可以具有较小的尺寸，同时输出较窄带宽的激光。另外，由于波导布拉格光栅的中心反射波长可以随温度、应力等变化，因此根据本公开的反射器还可以用于温度传感器、应力传感器等。另外，根据本公开的反射器还可以用于折射率传感器，例如可以将光栅周围的包覆层材料去掉并将反射器放入待检测样品中(例如，液体样品)，然后可以通过反射峰的移动来得到待检测样品的折射率。
本公开还提供了用于制造前述任一实施例所述的反射器的方法。下面结合图8至图10详细描述用于制造根据本公开的实施例的反射器的示例方法。
在一些实施例中，如图8所示，方法700可以包括：在步骤S702处，在衬底上形成第一包覆层；在步骤S704处，在第一包覆层中形成波导，波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且多个第一部分在不同于第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得多个第一部分和多个第二部分交替地光学串联耦接；在步骤S706处，在第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖波导；在步骤S708处，在第二包覆层中形成以第一方向为周期方向的线阵光栅，线阵光栅在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上与波导分离开第一间距，其中当从第三方向看时线阵光栅与波导重叠；在步骤S710处，在第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖线阵光栅。第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层的材料的折射率分别小于波导的材料的折射率，并且第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层的材料的折射率分别小于线阵光栅的材料的折射率。
在一些实施例中，如图9所示，方法800可以包括：在步骤S802处，在衬底上形成第一包覆层；在步骤S804处，在第一包覆层中形成以第一方向为周期方向的线阵光栅；在步骤S806处，在第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖线阵光栅；在步骤S808处，在第二包覆层中形成波导，波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且多个第一部分在不同于第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得多个第一部分和多个第二部分交替地光学串联耦接，其中波导在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上与线阵光栅分离开第一间距，并且其中当从第三方向看时波导与线阵光栅重叠；在步骤S810处，在第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖波导。第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层的材料的折射率分别小于波导的材料的折射率，并且第一包覆层、第二包覆层和第三包覆层的材料的折射率分别小于线阵光栅的材料的折射率。
本领域技术人员能够明白，可以使用本领域中现在已知或以后开发的任何合适的工艺方法来形成波导、光栅和各个包覆层。例如，图10示出了用于根据方法700制造反射器100的一种示例工艺流程，其中波导的材料采用硅，光栅的材料采用氮化硅，并且包覆层的材料采用二氧化硅。具体地，在步骤S1处，提供SOI晶圆作为衬底。由于SOI晶圆包括在硅基底之上的作为二氧化硅的掩埋氧化物层，因此可以省略形成第一包覆层的步骤，而将SOI晶圆的二氧化硅层作为第一包覆层。之后，在步骤S2处，通过光刻、显影等处理在SOI晶圆表面形成光刻胶的弯曲蛇形图案，并在步骤S3处通过刻蚀、去胶等处理形成弯曲蛇形波导。在步骤S4处，沉积二氧化硅膜用作第二包覆层，并且通过化学机械抛光(CMP)工艺控制二氧化硅膜的厚度。之后，在步骤S5处沉积氮化硅膜，并在步骤S6处通过刻蚀氮化硅膜以形成氮化硅线阵光栅然后在其上沉积二氧化硅膜以形成覆盖氮化硅线阵光栅的第三包覆层。
根据本公开的实施例的反射器不仅制造简单，而且能够以小尺寸实现高反射率和窄反射带宽，具有广泛的应用场景，能够为各种适用的光电装置带来小型化改进的空间和显著的性能提升。
在说明书及权利要求中的词语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”、“高”、“低”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其它取向上操作。例如，在附图中的装置倒转时，原先描述为在其它特征“之上”的特征，此时可以描述为在其它特征“之下”。装置还可以以其它方式定向(旋转90度或在其它方位)，此时将相应地解释相对空间关系。
在说明书及权利要求中，称一个元件位于另一元件“之上”、“附接”至另一元件、“连接”至另一元件、“耦合”至另一元件、“耦接”至另一元件、或“接触”另一元件等时，该元件可以直接位于另一元件之上、直接附接至另一元件、直接连接至另一元件、直接耦合至另一元件、直接耦接至另一元件或直接接触另一元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相对照的是，称一个元件“直接”位于另一元件“之上”、“直接附接”至另一元件、“直接连接”至另一元件、“直接耦合”至另一元件、“直接耦接”至另一元件或“直接接触”另一元件时，将不存在中间元件。在说明书及权利要求中，一个特征布置成与另一特征“相邻”，可以指一个特征具有与相邻特征重叠的部分或者位于相邻特征上方或下方的部分。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪声以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在本文中使用“第一”、“第二”等类似术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和所有组合。本文中使用的术语只是出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其它各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。可以以任何方式和/或与其它实施例的方面或元件相结合地组合以上公开的所有实施例的方面和元件，以提供多个附加实施例。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (22)
1.一种基于布拉格光栅的反射器，包括：
波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接；
包覆层，所述包覆层包围所述波导；以及
以所述第一方向为周期方向的线阵光栅，所述线阵光栅设置在所述包覆层中并且在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述波导分离开第一间距，其中当从所述第三方向看时所述线阵光栅与所述波导重叠，
其中，所述波导的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率，并且所述线阵光栅的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率。
2.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述线阵光栅的材料的折射率小于或等于所述波导的材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述波导的所述多个第一部分是彼此平行的直波导，并且所述波导的所述多个第二部分是弯曲波导。
4.根据权利要求1所述的反射器，其中，当从所述第三方向看时，所述线阵光栅与所述波导的所述多个第一部分重叠而不与所述波导的所述多个第二部分重叠。
5.根据权利要求4所述的反射器，其中，当从所述第三方向看时，所述线阵光栅的每条栅线与所述波导的所有第一部分都相交。
6.根据权利要求4所述的反射器，其中，所述反射器包括在所述第二方向上间隔布置的多个线阵光栅，并且其中，当从所述第三方向看时，所述多个线阵光栅中的每个线阵光栅在所述第三方向上与所述波导的所述多个第一部分中的相应一个或多个第一部分重叠。
7.根据权利要求4所述的反射器，其中，所述反射器包括在所述第一方向上间隔布置的多个所述线阵光栅，并且其中，当从所述第三方向看时，每个所述线阵光栅的每条栅线与所述波导的所有第一部分都相交。
8.根据权利要求6或7所述的反射器，其中，每个所述线阵光栅被配置用于提供不同的中心反射波长。
9.根据权利要求6或7所述的反射器，其中，每个所述线阵光栅被配置用于提供相同的中心反射波长。
10.根据权利要求6或7所述的反射器，其中，每个所述线阵光栅的材料的折射率、光栅周期以及与所述波导的第一间距中的至少一者不同。
11.根据权利要求4所述的反射器，所述反射器还包括设置在所述包覆层中的多个点阵光栅，每个点阵光栅在所述第三方向上与所述波导分离开第二间距，
其中，当从所述第三方向看时，每个点阵光栅与所述波导的所述多个第二部分中的相应一个第二部分重叠，并且其中，每个点阵光栅以所述相应一个第二部分的延伸方向为周期方向。
12.根据权利要求11所述的反射器，其中，所述点阵光栅的材料的折射率大于所述包覆层的材料的折射率，并且小于或等于所述波导的材料的折射率。
13.根据权利要求11所述的反射器，其中，所述点阵光栅的材料与所述线阵光栅的材料相同，所述第二间距与所述第一间距相同，并且每个点阵光栅的光栅周期与所述线阵光栅的光栅周期相同。
14.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述波导是单模波导。
15.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述波导的材料是硅，并且所述线阵光栅的材料是氮化硅。
16.根据权利要求1所述的反射器，所述反射器还包括加热器，所述加热器被配置为通过改变所述线阵光栅和/或所述波导的温度来调谐由所述线阵光栅提供的中心反射波长。
17.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述波导的第一部分的宽度大于所述波导的第二部分的宽度，并且所述波导还包括被配置为耦接在相邻的第一部分和第二部分之间以提供宽度过渡的第三部分。
18.根据权利要求1所述的反射器，其中，所述第一方向垂直于所述第二方向。
19.一种光电装置，包括根据权利要求1至18中任一项所述的反射器。
20.根据权利要求19所述的光电装置，其中，所述光电装置为激光器、传感器和滤波器中的一者。
21.一种用于制造基于布拉格光栅的反射器的方法，包括：
在衬底上形成第一包覆层；
在所述第一包覆层中形成波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接；
在所述第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖所述波导；
在所述第二包覆层中形成以所述第一方向为周期方向的线阵光栅，所述线阵光栅在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述波导分离开第一间距，其中当从所述第三方向看时所述线阵光栅与所述波导重叠；以及
在所述第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖所述线阵光栅，
其中，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述波导的材料的折射率，并且所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述线阵光栅的材料的折射率。
22.一种用于制造基于布拉格光栅的反射器的方法，包括：
在衬底上形成第一包覆层；
在所述第一包覆层中形成以第一方向为周期方向的线阵光栅；
在所述第一包覆层上形成第二包覆层以覆盖所述线阵光栅；
在所述第二包覆层中形成波导，所述波导包括多个第一部分和多个第二部分，每个第一部分沿所述第一方向延伸并且所述多个第一部分在不同于所述第一方向的第二方向上间隔布置，每个第二部分被配置为将相邻两个第一部分光学耦接，使得所述多个第一部分和所述多个第二部分交替地光学串联耦接，其中所述波导在与所述第一方向和所述第二方向垂直的第三方向上与所述线阵光栅分离开第一间距，并且其中当从所述第三方向看时所述波导与所述线阵光栅重叠；以及
在所述第二包覆层上形成第三包覆层以覆盖所述波导，
其中，所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述波导的材料的折射率，并且所述第一包覆层、所述第二包覆层和所述第三包覆层的材料的折射率分别小于所述线阵光栅的材料的折射率。
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2021
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